Παραγωγή βιοαιθανόλης από απόβλητα με υψηλή 
περιεκτικότητα αμύλου

Φελέκης, Βασίλειος-Δημήτριος; Felekis, Vasileios-Dimitrios

dc.contributor.author	Φελέκης, Βασίλειος-Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Felekis, Vasileios-Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2023-06-02T07:01:52Z
dc.date.available	2023-06-02T07:01:52Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57793
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25490
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Βιοκαύσιμα	el
dc.subject	Βιοαιθανόλη	el
dc.subject	Ζύμωση	el
dc.subject	Πατάτα	el
dc.subject	Biofuels	en
dc.subject	Bioethanol	en
dc.subject	Fermentation	en
dc.subject	Potato	en
dc.subject	Waste Management	en
dc.subject	Διαχείριση Αποβλήτων	el
dc.title	Παραγωγή βιοαιθανόλης από απόβλητα με υψηλή περιεκτικότητα αμύλου	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Περιβάλλον και Ενέργεια	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-03-03
heal.abstract	Ο συνεχώς αυξανόμενος πληθυσμός έχει συμβάλει στη σημαντική αύξηση της παραγωγής τροφίμων και γεωργικών προϊόντων και στην ταχεία εκβιομηχάνιση, η οποία αναμένεται ότι συνοδεύεται από τεράστιους όγκους βιομηχανικών αποβλήτων που προκαλούν υποβάθμιση του περιβάλλοντος. Η πατάτα είναι η τέταρτη κύρια καλλιέργεια που καταναλώνεται παγκοσμίως. Ωστόσο, οι βιομηχανίες πατάτας παράγουν τεράστιες ποσότητες αποβλήτων. Περίπου 0,16 τόνοι στερεών αποβλήτων παράγονται ανά τόνο επεξεργασμένης πατάτας. Για παράδειγμα, μια βιομηχανία πατατών περιλαμβάνει απόβλητα από το ξεφλούδισμα (φλούδα πατάτας), από τη διαλογή (κομμάτια πατάτας), από την κοπή (φέτες πατάτας και άμυλο) και από το τηγάνισμα (τσιπς κακής ποιότητας). Αυτά τα υποστρώματα αποτελούνται από υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια και λιγνοκυτταρινικές ουσίες. Λόγω της σύνθεσής τους, αυτά τα απόβλητα μπορούν να θεωρηθούν ως πιθανή πρώτη ύλη για προηγμένες εφαρμογές στους τομείς της επεξεργασίας τροφίμων, της φαρμακευτικής και της βιοσύνθεσης, οι οποίες αυξάνουν το ενδιαφέρον της αξιοποίησής τους για την παραγωγή βιοπροϊόντων προστιθέμενης αξίας. Η μετατροπή αυτών των πρώτων υλών σε βιοκαύσιμα θα ήταν μια βιώσιμη λύση για την παραγωγή εναλλακτικών πηγών ενέργειας με ταυτόχρονη μείωση των εκπομπών ρυπογόνων αερίων. Η βιοαιθανόλη θεωρείται ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα ανανεώσιμα καύσιμα και μπορεί να παραχθεί από μικροοργανισμούς μέσω της ζύμωσης αυτών των αποβλήτων. Η παρούσα μελέτη επικεντρώθηκε στην παραγωγή βιοαιθανόλης από απόβλητα επεξεργασίας πατάτας, με στόχο την αποδόμησή της και την αξιοποίησή της. Τέσσερις ροές στερεών αποβλήτων (φλούδες πατάτας, κομμάτια και φέτες πατάτας, άμυλο και πατατάκια) προμηθεύτηκαν από την Tsakiris S.A., Coca-Cola 3E, Ελλάδας και παραδόθηκαν στη Μονάδα Περιβαλλοντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας, της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Η μετατροπή αμυλούχου και λιγνοκυτταρινικού υλικού σε βιοαιθανόλη περιλαμβάνει, συνήθως, τρία κύρια στάδια: προεπεξεργασία, ενζυμική υδρόλυση και ζύμωση. Μερικά από αυτά τα βήματα έχουν εφαρμοστεί ταυτόχρονα, με αποτέλεσμα υψηλές αποδόσεις αιθανόλης (Simultaneous Saccharification Fermentation, SSF), κάτι το οποίο έχει αναδειχθεί ως πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παραγωγή βιοαιθανόλης σε σύγκριση με τη συμβατική χωριστή υδρόλυση και ζύμωση (SHF). Λόγω των διαφορών στη χημική σύνθεση και στα δομικά χαρακτηριστικά, η αναγκαιότητα της προεπεξεργασίας εξαρτάται από την πρώτη ύλη. Επομένως, αρχικά κάθε υπόστρωμα χαρακτηρίστηκε για να προσδιοριστεί η σύνθεσή του. Τα κρίσιμα χαρακτηριστικά, που καθόρισαν την πορεία της διεργασίας ήταν η περιεκτικότητα σε άμυλο και το ποσοστό περιεχόμενης κυτταρίνης. Πιο συγκεκριμένα, τα κομμάτια πατάτας, περιέχουν 62,5% άμυλο, το νωπό απόβλητο αμύλου περιέχει 83,4% άμυλο, τα πατατάκια αποτελούνται κατά 51,0% από άμυλο και η φλούδα πατάτας αποτελείται κατά 17,3% από άμυλο και 18,9% από κυτταρίνη. Αρχικά ερευνήθηκε η προεπεξεργασία που απαιτεί κάθε υπόστρωμα. Συγκεκριμένα, η βέλτιστη προεπεξεργασία για τις φλούδες πατάτας ήταν η αλκαλική για την απομάκρυνση της λιγνίνης η οποία έδωσε συγκέντρωση βιοαιθανόλης στο τελικό υγρό 9,5 ± 0,4 g/L, με αντίστοιχη απόδοση 87,8 ± 3,8 %, όταν οι ξηρές φλούδες πατάτας υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία με 1% w/v NaOH για 6 ώρες στους 50℃, με φορτίο στερεού 5%w/w και στη συνέχεια το περιεχόμενο άμυλο υδρολύθηκε με 40 μLSpirizymeExcelXHS /gαμύλου και η κυτταρίνη υδρολύθηκε με 175 μLNS87014/gκυτταρίνης και τελικά ζυμώθηκαν με 2% S. Cerevisiae για 48 ώρες στους 35℃. Επιπλέον, η υδροθερμική προεπεξεργασία σε αποστειρωτή επαληθεύτηκε ως ένας αποτελεσματικός τρόπος για την προεπεξεργασία των κομματιών πατάτας. Ως εκ τούτου, τα νωπά κομμάτια πατάτας, με 20% φορτίο στερεού, αποστειρώθηκαν στους 121℃ για 15 λεπτά και στη συνέχεια υδρολύθηκαν και ζυμώθηκαν ταυτόχρονα, χρησιμοποιώντας 60 μLSpirizymeExcelXHS/gαμύλου και 2% w/w S. cerevisiae, με μέγιστη συγκέντρωση 66,3 ± 1,8 g/L και απόδοση αιθανόλης 74,7 ± 2,0%. Στο ρεύμα αποβλήτων αμύλου προσδιορίστηκε συγκέντρωση αιθανόλης 58,0 ± 2,8 g/L και απόδοση αιθανόλης στις ίδιες συνθήκες 49,0 ± 2,4%, χωρίς προεπεξεργασία και με προσθήκη 40 μLSpirizyme Excel XHS /gαμύλου και 2% w/w S. Cerevisiae. Τέλος, τα τσιπς πατάτας αποδείχθηκαν το πιο αποτελεσματικό υπόστρωμα όσον αφορά την παραγωγή βιοαιθανόλης, χωρίς την ανάγκη προεπεξεργασίας, καθώς 50,0 ± 0,0 g/L βιοαιθανόλης λαμβάνονται από 10% φορτίο στερεού με προσθήκη 20 μLSpirizymeExcelXHS/gαμύλου και 2% w/w S. cerevisiae στους 35 ℃, για 48 ώρες, που αντιστοιχεί σε απόδοση αιθανόλης σχεδόν 69,1 ± 0,0%. Το τελευταίο θα μπορούσε να αποδοθεί στη θερμική επεξεργασία της πατάτας κατά το τηγάνισμα εντός της γραμμής παραγωγής. Το μοντέλο το οποίο, καταστρώθηκε με βάση τους σημαντικούς παράγοντες που επηρεάζουν τη διεργασία ανά πρώτη ύλη, σε συνδυασμό με τις μέγιστες συγκεντρώσεις βιοαιθανόλης ανά υπόστρωμα και διατηρώντας τις ίδιες συνθήκες στις οποίες παρατηρούνται αυτές οι συγκεντρώσεις, χρησιμοποιήθηκε για την ανακλιμάκωση της διεργασίας σε αντιδραστήρα όγκου 4L, από τα αποτελέσματα της οποίας διαπιστώνεται η καλή προσαρμογή του μοντέλου σε πολλαπλάσιο όγκο από αυτόν τον αρχικό πειραμάτων. Οι βέλτιστες αποδόσεις βιοαιθανόλης ανά υπόστρωμα που προέκυψαν από τα πειράματα ανακλιμάκωσης είναι: (α) για τα κομμάτια πατάτας 72,1 ± 2,0%, (β) για το άμυλο 42,2 ± 6,3 % , (γ) για τα τσιπς πατάτας 79,4 ± 5,9 % και (δ) για τη φλούδα πατάτας 83,2 ± 2,8 %, ενώ οι αντίστοιχες βέλτιστες συγκεντρώσεις βιοαιθανόλης είναι: (α) για τα κομμάτια πατάτας 64 ± 1,5 g/L (48h), (β) για το άμυλο 50 ± 3,7 g/L (72h), (γ) για τα τσιπς πατάτας 57,5 ± 3,2 g/L (27h) και (δ) για τη φλούδα πατάτας 9 ± 0,9 g/L (48h). Οι αποδόσεις αυτές σε συνδυασμό με τις αντίστοιχες αποδομήσεις των στερεών, χρησιμοποιήθηκαν για την διερεύνηση της συνολικής παραγωγής βιοαιθανόλης αλλά τη μείωση του όγκου αποβλήτων σε μια συμβατική βιομηχανία επεξεργασίας πατάτας. Έτσι, τα πλούσια σε σάκχαρα και λιγνοκυτταρινική βιομάζα απόβλητα βιομηχανίας πατάτας κρίνονται μια πολλά υποσχόμενη πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαιθανόλης, ενώ τόσο οι μέθοδοι προεπεξεργασίας όσο και η SSF που επιλέχθηκαν στην παρούσα εργασία κρίνονται ως αποδοτικές, όπως και η συνολική διεργασία η οποία αξίζει να διερευνηθεί περαιτέρω.	el
heal.abstract	The ever-growing population has contributed to a significant increase in food and agricultural production and rapid industrialization, which is accompanied by huge volumes of industrial waste that cause environmental degradation. Potato is the fourth major crop consumed worldwide. However, potato industries generate huge amounts of waste, while about 0.16 tons of solid waste is generated per ton of potato processed. For example, a potato industry generates waste from peeling (potato peel), from separation (potato pieces), from cutting (potato slices and starch) and from frying (poor quality chips). These substrates consist of carbohydrates, proteins, lipids and lignocellulosic substances such as cellulose, hemicellulose and lignin. Due to its composition, this waste may be considered a possible raw material for advanced applications in the fields of food processing, pharmaceuticals and biosynthesis, which increase the interest in the production of value-added bioproducts. The conversion of these raw materials into biofuels would be a viable solution to produce alternative energy sources while reducing greenhouse gas emissions. Bioethanol is considered one of the most promising renewable fuels and can be produced by microorganisms through fermentation of these wastes. The present study focused on the production of bioethanol from potato processing, aiming at its degradation and utilization. Four waste streams were received (potato peels, potato pieces and slices, starch and potato chips) from Tsakiris S.A., Coca-Cola 3E, Greece and delivered to the Environmental Science and Technology Unit, School of Chemical Engineering of the National Technical University of Athens. The conversion of starchy and lignocellulosic material into bioethanol usually involves three main stages: pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation. Some of these steps were applied simultaneously, resulting in high ethanol yields (Simultaneous Saccharification Fermentation, SSF), which has emerged as a more efficient method for bioethanol production compared to conventional separate hydrolysis and fermentation (SHF). Due to differences in chemical composition and structural characteristics, the necessity of pretreatment depended on the raw material. Therefore, each substrate was characterized to determine its composition. The critical characteristics, which determined the course of the process were the starch and the cellulose contents for all substrates. More specifically, potato pieces contain 62.5% starch, the fresh waste starch contains 83.4% starch, chips are by 51.0% starchy, and potato peels contain 17.3% starch and 18.9% cellulose. Firstly, the pretreatment required for each substrate was investigated. Specifically, the potato peels were subjected to an alkaline pretreatment to remove lignin. The best results reached a final liquid bioethanol concentration of 9.5 ± 0.4 g/L, with a corresponding yield of 87.8 ± 3.8 %, when dried potato peels were pretreated with 1% w/ v NaOH for 6 hours at 50℃, with a solid load of 5%w/w and then the starch content was hydrolyzed with 40 µLSpirizymeExcelXHS/gstarch and cellulose was hydrolyzed with 175 µLNS87014/gcellulose and finally fermented with 2% Cerevisiae S. at 35℃ . In addition, hydrothermal pretreatment was verified as an effective way to pretreat potato pieces. Therefore, fresh potato pieces, with 20% solids loading, were autoclaved at 121℃ for 15 minutes and then hydrolyzed and fermented simultaneously, using 60 μLSpirizymeExcelXHS/gstarch and 2% w/w S. Cerevisiae, with a maximum of 66.3 ± 1.8 g/L and ethanol yield 74.7 ± 2.0%. The starch waste stream achieved an ethanol concentration of 58.0 ± 2.8 g/L and an ethanol yield under the same conditions of 49.0 ± 2.4%, without pretreatment and with the addition of 40 µLSpirizyme Excel XHS/gstarch and 2% w/w S. Cerevisiae. Finally, potato chips proved to be the most efficient substrate in terms of bioethanol production, without the need for pretreatment, as 50.0 ± 0.0 g/L of bioethanol is obtained from 10% solids loading with the addition of 20 µLSpirizymeExcelXHS/gstarch and 2% w/w S. Cerevisiae at 35℃, for 48 hours, corresponding to an ethanol yield of nearly 69.1 ± 0.0%. The latter could be attributed to the heat treatment of the potato during frying within the production line. The model, which was constructed based on the important factors affecting the process per raw material, combined with the maximum concentrations of bioethanol per substrate and maintaining the same conditions in which these concentrations were observed, was used to scale up the process in a 4L volume reactor, the results of which show a good fit of the model to larger volumes than this of the initial experiment. The optimum bioethanol yields per substrate obtained from the scale-up experiments were: (a) for potato pieces 72.1 ± 2.0%, (b) for starch 42.2 ± 6.3%, (c) for potato chips 79.4 ± 5.9 % and (d) for potato peel 83.2 ± 2.8 %, while the corresponding optimal bioethanol concentrations are: (a) for potato pieces 64 ± 1.5 g/ L (48h), (b) for starch 50 ± 3.7 g/L (72h), (c) for potato chips 57.5 ± 3.2 g/L (27h) and (d) for peel potato 9 ± 0.9 g/L (48h). These yields, in combination with the corresponding solids degradations, were used to investigate the total production of bioethanol as well as the reduction of industrial waste in a conventional potato processing industry. Thus, potato industry waste rich in sugars and lignocellulosic biomass are considered a promising raw material for bioethanol production, while both the pretreatment methods and SSF selected in this work are considered efficient, and the overall process is worth further investigation.	en
heal.advisorName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Χρόνης, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	120 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false